电子设备热仿真及优化技术研究

随着军用电子设备研制不断向小型化、多功能化和高性能化方向发展，电子设备内一些大功率器件的发热量和热流密度不断增加，如果不能有效地进行散热设计，将直接影响系统功能的实现和长时间工作的稳定性。热仿真分析能够在方案阶段比较真实模拟出系统的热分布状况，对热设计方案可行性进行全面分析，确定出系统的温度最高点，通过对数字方案优化设计，可消除存在的热设计问题，以提高产品可靠性、缩短产品上市时间。

1应用实例及仿真分析

1.1应用实例

某二次加固型的监测电子设备，内部包括主板、显卡、功能板、电源和一个辅助风扇，系统热控制的设计指标是在环境温度50℃时，关键器件核心温度不超过900(3。监测电子设备内部主要器件的TDP(Thermal　Design　Power)值及配置如表1所示。

由设备发热总量和热平衡方程：

估算出系统辅助风扇风量约为80(CFM)。

由于监测电子设备总功率高，关键器件允许温升小，如果根据电子设备传统设计方法设计，通过样机验证监测电子设备的高温性能，关键器件温度可能会超过允许值，导致设备可靠性下降，或者样机报废，影响产品交付周期。为降低设计风险，提高一次成功率，在生产样机前使用热仿真软件对监测电子设备散热方案进行前端仿真，获得监测电子设备温度分布情况，若达不到要求应采取改进散热措施，以达到系统热控制的设计指标。

1.2初始方案仿真分析

Icepak是专业的电子设备热仿真软件，能够解决系统级、部件级、封装级的热分析问题，提供电子设备热仿真中常用组件风扇、热源等，在Windows风格的统一界面内完成建模建立、边界条件设置、网格划分、问题求解、优化和后处理等所有分析过程，简化了热分析建模过程。

考虑功率器件内部传导热阻和导热胶垫热阻，对监测电子设备的初始方案经过适当简化后[3]，建立的Icepak仿真模型如图1所示，输入主要器件的发热功率、风扇风量及环境温度，散热片部分局部细化，自动划分网格，仿真模型迭代收敛曲线如图2所示，初始方案中主要器件温度云图如3所示，系统风速迹线图如图4所示。

由初始方案温度云图3可知，监测电子设备初始方案能满足显卡、功能模块上功率器件的热控制要求，但CPU温度(119.8℃)远远超过器件允许节温(90℃)，虽然主板上CPU位置有白带的散热片和风扇。初始方案设计余量不足，不能达到系统热控制指标，需采取优化改进措施。对初始方案风速迹线图4进行分析，虽然系统风速较大，由于受主板器件布局和设备结构形式影响，初始方案中系统冷却气流在监测电子设备的分配很不合理，系统总风量中仅有很小一部分流经主板CPU、北桥上表面的散热片，系统风量利用效率很低;主板上CPU位置散热片散热面积不足，在环境温度50℃时难以满足主板CPU散热要求，是导致监测电子设备初始方案主板CPU器件温度过高的主要原因。

2热设计方案优化

2.1方案优化及仿真监测

电子设备中主板为COTS(commercial　off　the　shelf)产品，器件位置无法改变，要在初始方案基础上达到系统热控制要求，可通过一定措施优化措施提高系统冷却气流利用率，提高系统散热效果。分析初始方案的结构特点，为达到系统热控制设计指标，在监测电子设备中增加热管冷板组件。

热管元件体积小、重量轻、传热能力强、等温性好，冷板强化散热技术结构形式灵活、成本低，热管冷板将热管散热技术和冷板散热技术合理组合，充分利用二者的优点，既结构紧凑，又能有效地解决高密度热流发热器件的散热问题。

在热管冷板组件中，冷板为高导热系数的铝合金，除主板CPU、北桥芯片位置的散热片外，根据监测电子设备初始方案的风速迹钱图，在设备内部风速较大位置增加一组适当密度和高度的散热片，方向与冷却气流方向一致。热管采用直径为8mm的高性能烧结型微热管(micro　heat　pipe，MHP)，打扁至4mm后镶嵌在冷板内部，热端与功率器件接触，冷端位于新增散热片底部，结构示意如图5所示。通过热管冷板组件与冷却气流强制对流换热，高效将主板关键CPU、北桥芯片的热量快速带走。

系统风扇风量不变，重新建立优化方案的Icepak仿真模型，散热片部分局部细化，自动划分网格，求解后获得的优化方案中关键器件的温度云图如6所示，系统风速迹线图如图8所示，热管冷板组件的温度云图如图7所示。

从图6可以看出，采用增加热管冷板组件优化措施后，提高了系统冷却气流的利用效率，主板CPU、北桥核心温度降低了20℃以上，显卡器件核心温度90℃左右，散热效果相对初始方案明显改善，达到系统热控制要求。通过在测试电子设备上盖板CPU气流前段位置增加挡风板可进一步提高冷却气流效率。

2.2热分